Экологические проблемы энергетики

Энергетика
Экологические проблемы производства энергии
Изменение климата и Киотский протокол
Проблема теплового загрязнения
Экологические проблемы тепловой энергетики
Экологические проблемы ядерной энергетики
Альтернативный источник энергии
Возобновляемые источники энергии
Ветроэнергетика
Геотермальная энергетика
Энергия приливов и отливов морей и океанов
Гидроэлектростанции (ГЭС)
Биоэнергия
Ядерная энергетика.
Водородная энергетика
Основные способы получения энергии
Анализ процессов трансформации энергии

Экологические проблемы производства энергии

В последние годы проблемы влияния производства энергии на окружающую среду широко обсуждались на различных уровнях во всех странах мира. На основании многочисленных дискуссий, проводимых по этому вопросу, было сделано три основных вывода:

все способы получения энергии представляют потенциальную опасность, как для окружающей среды, так и для здоровья человека;

нет ни одного способа получения энергии настолько свободного от опасности для окружающей среды, чтобы его применение приносило бы только выгоду без каких-либо проблем;

имеющиеся данные о степени загрязнения дают возможность предска­зать последствия всё возрастающего объема производства энергии для окружающей среды.

Рассмотрим более подробно процессы, приводящие к загрязнению окружающей среды при производстве энергии на ТЭС и АЭС.

Загрязнение атмосферы. Основными загрязнителями атмосферы на ТЭС являются диоксид серы, оксиды азота, соединения фтора и твёрдые частицы угольной золы и несгоревшего топлива. Содержание серы, азота и золы в энергетических углях представлены в табл. 15.6.

Таблица 15.6

Содержание серы, азота и золы в энергетических углях

Угли

Теплота сгорания, МДж/кг

Содержание, мас.%

Удельные выбросы, г/(кВтч)

Золы

Серы

Азота

Золы

SO2

NOx

Подмосковный бурый

10,4

25,2

2,7

0,6

242

53,9

2,15

Донецкий каменный

24,2

23,8

2,8

0,9

97

21,6

2,8

Кузнецкий каменный

22,6

18,9

0,4

1,5

82

3,5

3,7

Канско-Ачинский бурый

15,7

4,7

0,2-0,4

0,6

29

2,6

1,5

Экибастузкий каменный

12,1

45

0,8

0,8

250-420

11,5

3,6

Соединения серы могут присутствовать в твёрдом топливе в виде включений сульфида железа (FeS), серы, входящей в состав молекул органической массы топлива, или в виде сульфатов (обычно СаSO4). При сгорании топлива в топках ТЭС сульфидная сера и сера, содержа­щаяся в органических соединениях, переходят в SO2 и частично в SO3, выделяющиеся вместе c отходящими газами.

Различные топлива существенно отличаются по содержанию серы. Наибольшую сернистость имеют топлива Европейской части РФ. Сибирские угли имеют, как правило, небольшую, а угли Экибастузкого и Карагандинского бассейнов – умеренную сернистость.

Соединения серы входят и в состав жидкого топлива – мазута, частично сжигаемого на ТЭС. Среди мазутов повышенную сернистость имеют мазуты, полученные из нефти Татарии и Башкирии. Мазуты, получаемые из нефти сибирских месторождений, имеют умеренную сернистость.

Учитывая, что развитие энергетики будет происходить в ближайшие десятилетия за счёт топлива сибирских месторождений, следует ожидать некоторого уменьшения среднего содержания серы в общем балансе топлива, сжигаемого в стране. Но эта благоприятная перспек­тива отнюдь не снимает вопроса уменьшения выбросов оксидов серы действующих и строящихся TЭС. Их снижение является чрезвычайно важной задачей.

Известно два различных направления уменьшения выбросов соединений серы в атмосферу – это очистка органического топлива или очистка образующихся при его сжигании дымовых газов. В результате обогащения угля удаляется только сульфидная сера, поэтому эти процессы эффективны для углей, содержащих большую часть серы в виде FeS.

Известны и химические методы удаления серы из топлива, например, может быть использован гидротермический метод. В этом случае измельченное то­пливо обрабатывают в автоклавах при давлении 1,75 МПа и температуре около 300оС щелочными растворами, содержащими гидрооксиды нат­рия и калия. При этом из угля удаляется до 70% серы, связанной в органические соединения, и до 99% сульфидной серы. Образующийся раствор сульфидов натрия и калия обрабатывают углекислым газом. Из выделяющегося при этом сероводорода можно получить элементарную серу.

В последние годы всё шире исследуются возможности микробиологических методов удаления серы из ископаемого топлива. В основе этих процессов лежит способность некоторых бактерий перерабатывать сульфидную серу, содержащуюся в топливе. При этом её содержание может быть снижено на 90%. К недостаткам этого метода следует отнес­ти низкую скорость процесса в обычных условиях. Период инкубации и удаления серы занимает примерно 25 суток.

Наиболее перспективное решение задачи очистки от серы угля и других видов топлива в настоящее время связывают с развитием процессов газификации. Для газификации твёрдого топлива чаще всего ис­пользуют воздух или водяной пар. Часть углеродного топлива в процес­се газификации сгорает до углекислого газа, остальное количество выделяется в виде СO и СH4 и частично остаётся в образующихся смолах и маслах. Соединения серы при этом выделяются в газовую фазу в виде сероводорода и могут быть извлечены из газового потока и переработаны в элементарную серу. В процессе газификации может быть выделено до 95% серы от общего её содержании в угле.

Однако, необходимо чётко представлять себе, что при газификации только 50% энергии, сконцентрированной в твердом топливе, пе­реходит в образующийся газ. И даже если учитывать теплоту сгорания побочных продуктов процесса газификации, то тепловой КПД всего процесса составит примерно 70%. Около 30% энергии даже в самом лучшем случае будет потеряно.

Другой путь предотвращения попадания соединений серы в окружающую среду связан с очисткой отходящих газов. Практически все внедрённые в промышленность способы очистки дымовых газов ТЭС от оксидов серы являются вариантами известкового или известнякового методов очистки (см. главу 4).

Помимо диоксида серы серьезнейшую опасность для окружающей среды представляют оксиды азота, выбрасываемые с дымовыми газами  ТЭС. Оксиды азота образуются за счёт окисления содержащегося в топливе азота и азота воздуха. Поэтому оксиды азота содержатся в отходящих газах всех ТЭС независимо от природы используемого топлива.

В топочной камере образуется, в основном, оксид азота (NO). На его долю приходится около 95% от общего количества оксидов азота, об­разующихся в топках ТЭС. Это в значительной степени затрудняет процесс очистки дымовых газов от оксидов азота, поскольку оксид азота не является солеобразующим оксидом и растворимость его в воде невелика. Поэтому при использовании абсорбционных методов очистки отходящих газов ТЭС необходимо предварительно перевести NO в NO2. Известны и другие методы очистки отходящих газов от оксида азота (или препятствующие их образованию), использующие процессы адсорбции и восстановления (глава 4). На практике наиболее часто используются следующие приемы, для уменьшения образования оксидов азота в процессе горения:

рецикл дымовых газов;

организация двухстадийного горения;

снижение расхода воздуха;

подача воды или пара в зону горения.

Использование этих приёмов оказывает влияние на температуру и концентрацию кис­лорода в газовом потоке, приводит к уменьшению вероятности протекания реакции окисления азота и, следовательно, к падению концентрации оксидов азота в отходящих газах.

Особенно значительных успехов по снижению концентрации оксидов азота достигают при комплексном использовании перечисленных приёмов (табл. 15.7).

Значительного уменьшения выбросов оксидов азота можно до­биться при сжигании угля в кипящем слое. В этом случае, как мы отмечали ранее, возможно также уменьшение выбросов оксидов серы в атмосферу.

В случае неполного сгорания топлива в топках могут образовываться оксид углерода (СО), углеводороды (CH4, C2H4 и др.), а также высокотоксичные канцерогенные полициклические ароматические вещества (ПАУ) и наиболее активное из них – бенз(а)пирен. Максимальное количество последнего образуется при температуре 700-800оС в условиях нехватки воздуха для полного сгорания топлива. Таким образом, главным средством борьбы с загрязнением атмосферного воздуха канцерогенными углеводородами является обеспечение максимальной полноты сгорания топлива.

Таблица 15.7

Изменение концентрации оксидов азота в отходящих газах тепловых электростанций при различных процессах горения, %

Вид топлива

Приёмы регулировки процессов горения

Уменьшение расхода воздуха

Двухстадийное горение

Двухстадийное горение и уменьшение расхода воздуха

Рециркуляция дымовых газов

Рециркуляция и уменьшение расхода воздуха

Добавление воды в зону горения

Природный газ

33

50

90

33

80

10

Мазут

33

40

73

33

70

10

Уголь

25

35

60

33

55

10

Отходящие газы ТЭС являются серьёзным источником загрязнения атмосферы соединениями фтора. Присутствующий в углях фтор в результате процессов горения переходит во фтористый водород и четырёх фтористый кремний, которые являются основными фторсодержащими соединениями в дымовых газах.

Общее количество фтора, ежегодно выбрасываемого в окружающую среду, составляет примерно 180 тыс. т. Это, безусловно, значительно меньше, чем масса выбросов оксидов серы или азота, но ведь фтористый водород более токсичен, чем SO2 или NOx. Среднесуточная предельно допустимая концентрация фтористого водорода в атмосфере составляет всего 0,005 мг/м3, т.е. в 10 раз ниже аналогичного значения для диоксида серы и в 17 раз ниже, чем ПДК для NOx.

До настоящего времени специальных методов очистки дымовых газов ТЭС от фтористого водорода не разработано. Хотя, конечно, использование абсорбционных методов очистки газов ТЭС от оксидов серы и азота позволяет уменьшить и количество фтористых соединений, выбрасываемых с отходящими газами. Однако, данные эффективности такой очистки по отношению к фтористым соединениям практически отсутствуют.

В состав углей в виде микропримесей входит множество химических элементов, многие из которых токсичны. При сгорании топлива эти элементы в виде оксидов или солей переходят в несгоревшую неорганическую часть углей – угольную летучую золу. Возможное поступление угольной золы вместе с отходящими газами а атмосферу представляет серьёзную опасность для окружающей среды, поскольку в результате биологи­ческого накопления и последующего сжигания концентрация токсичных элементов в золе значительно превосходит их содержание в земной коре (табл. 15.8). Поэтому в настоящее время все ТЭС, работающие на твёрдом топливе, снабжены устройствами для улавливания золы из дымовых газов.

Таблица 15.8

Среднее содержание некоторых токсичных компонентов в земной коре и угольной золе, г/т

Элемент

Земная кора

Угольная зола

Элемент

Земная кора

Угольная зола

B

3

600

Co

18

300

Ge

7

100

Be

6

300

As

1,7

500

Pb

16

100

U

2,5

400

Ca

0, 13

5

V

150

2800

Ni

58

700

Радиоактивное загрязнение окружающей среды. Анализ многолетней работы атомных электростанций свидетельствует о том, что благодаря многоступенчатым системам защиты практически полностью исключены выбросы радио­активных веществ в окружающую среду. Необходимо также отметить, что радиационное воздействие на окружающую среду при нормальной эксплуатации АЭС значительно ниже, чем у ТЭС, работающих на угле. Это связано с тем, что (как мы уже отмечали выше) концентрация ряда элементов, в том числе радиоактивных, в образующейся угольной золе значительно превосходит их содержание в литосфере. Но и эта доза излучения оказывается значительно ниже естественного радиационного фона Земли (табл. 15.9). Оценки показывают, что вклад ядерной энергетики в общую дозу облучения человека не превысит 1% даже при 40-кратном увеличении мощности ядерной энергетики.

Таблица15.9

Сравнительные дозы возможного облучения человека от различных источников

Источники облучения

Доза облучения, мбэр/год

Источники облучения

Доза облучения, мбэр/год

Естественный фон

110

Медицинская рентгенодиагностика

72

Строительные материалы

60

Глобальные выпадения радиоактивных веществ

2

Часы со светосоставом

1

Космические излучения при полётах на самолётах

До 0,5

ТЭС

410-3

АЭС

10-4

Одной из серьёзных проблем взаимодействия с окружающей средой при работе АЭС является переработка высокоактивного отработанного топлива. Безусловно, высокоактивные продукты деления, содержащиеся в ТВЭЛах, могут представлять серьёзную опасность для окружающей среды и человека. Однако, необходимо учитывать, что отработанные ТВЭЛы должным образом хранятся и находятся под строгим учётом. Это – контролируемая активность, попадание которой в окружающую среду можно избежать, что и подтверждается многолетним нашим и международным опытом.

Очистка сточных вод химических промывок и консервации оборудования .

Для обезвреживания промывочных и консервирующих растворов, содержащих нитриты, можно использовать кислые промывочные растворы или производить обработку растворов кислотой.

В основе процесса биохимической очистки лежит жизнедеятельностьнекоторых видов микроорганизмов , которые могут использовать органические и минеральные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве питательных веществ и источников энергии

Обезвреживание сточных вод систем гидрозолоудаления Количество сточных вод систем ГЗУ во много раз превышает суммарный объем всех остальных загрязненных стоков ТЭС.

Очистка сточных вод сероочистных установок На ряде ТЭС Германии действуют установки по очистке сточных вод, образующихся на стадии осветления суспензии гипса в концентраторах.

Химический состав исходной и очищенной воды после сероочистной установки.

Экологические проблемы энергетики